鋼結構對仿古建筑的作用

　　【摘要】:鋼結構用于仿古建筑因其難以體現中國古建筑飛檐翹角、質樸厚重的風格而在當今很少采用，提出將現代鋼結構與仿古建筑相結合的觀點，并將其用于石門水電站廠房改造設計，收到了較好的建筑藝術效果和造價經濟效果。

　　關鍵詞:鋼結構，仿古建筑，建筑風格，造價經濟

　　1工程概況

　　漢中市石門水庫位于陜西省漢中市北18km，修建于20世紀70年代初，大壩為鋼筋混凝土雙曲拱壩，高88m，總庫容1.08億m3，是一座以灌溉為主，兼顧發電、防洪功能的大(2)型水庫。依托石門水庫建成的石門棧道風景區是國家AAAA級風景區。石門水電站根據灌溉渠道布置修建，分東干渠首的東電站、西干渠首的西電站、河床主電站及后來續建的河床8號機電站共4處，8臺機組總裝機4.2萬kW。石門水電站已運行四十多年，發電設備落后、廠房陳舊，2012年被列入陜西省農村小水電增效擴容試點項目，主要包括水輪發電機組更新、電氣設備更新、電站房屋建筑改造部分。筆者完成了水電站廠房改造工程的設計工作，現就該工程改造設計談談自己的經驗與體會，僅供同類工程參考。

　　2設計要求、理念、方案

　　石門水電站位于石門風景區內，景區總體規劃所有建筑的造型、色調為“兩漢三國”建筑風格。石門水電站業主基于自身發電生產的需要和風景區總體規劃，要求對東、西、8號機水電站廠房、辦公樓、4個車間結構進行加固改造以保證發電生產需要，并且對建筑外觀進行仿古改造，達到景區總體規劃的“兩漢三國”建筑風格要求。筆者所在團隊承擔了上述房屋建筑改造設計任務，其中東、西、8號機這3座水電站廠房、建筑面積共727m2的改造設計任務由筆者完成。通過查閱3座水電站廠房竣工圖紙，筆者有了初步認識。東、西電站廠房修建于20世紀70年代初，為地上式單層結構，東電站廠房長31m、寬11.7m、高8.5m;西電站廠房長15.2m、寬11m、高8.5m，兩個廠房構造均為帶牛腿變截面鋼筋混凝土排架柱、薄腹屋面梁、預制槽型板平屋頂結構，廠房桁車標準10t。8號機廠房修建于2010年，屬于后期續建電站，廠房為地上式3層框架結構，長18.8m、寬10.5m、高14m，桁車標準10t。建筑設計方案選擇上，筆者以廠房實際長、寬、高尺寸為基礎，結合“兩漢三國”仿古建筑構造特點，以達到建筑與周圍環境相協調為設計理念，認真構思每一個廠房建筑造型。經分析比較確定建筑設計方案為:長、寬尺寸比例大的東、西廠房仿古屋蓋為歇山造型，長、寬尺寸比例小的8號機廠房仿古屋蓋確定為廡殿造型(以下舉例插圖為西電站設計方案，見圖1，圖2)。在仿古結構設計方案上，筆者考慮如果采用當今流行的鋼筋混凝土結構，針對此次廠房跨度大、層高大的實際情況，就有屋頂自重大、抗震性能差、造價高的缺點;而采用鋼結構雖可減輕屋蓋自重，節省投資，但在展現中國古建筑飛檐翹角、質樸厚重方面，又顯得比較現代、單薄，在細節處理上也有一定的難度。當今將鋼結構和仿古建筑有機結合在一起的實例較為罕見，筆者在查閱大量資料的基礎上，結合本人對古建設計的實際經驗，決定將廠房仿古屋蓋設計為鋼結構，成功地解決了這一問題。

　　3建筑設計

　　在建筑細節上體現出中國古建筑的歷史文化特色，是仿古建筑設計的一個重要環節。根據中國建筑史，漢代建筑屋面為灰陶瓦作，建筑色調以朱紅、灰白為主。設計屋面為灰陶2號筒板瓦，滴水、勾頭、擋溝等瓦飾配件按2號灰陶型號選用。屋脊設計尺寸突出主脊、垂脊、戧脊、圍脊主次比例;屋脊造型選用仿漢灰陶脊成品，要求正脊無吻、垂脊無獸，脊高大平直，棱角分明，尾部翹起，與平直屋面結合，呈現出雄渾粗獷的漢代建筑風格。檐口、搏風板、山花設計用3mm鋼板為面板，L40×4角鋼包邊，制作不易變形，顯得有厚重感。屋檐下部用薄鋼板吊頂，掩飾了懸挑屋檐下現代鋼結構的缺點。建筑色調以朱紅和灰白為主，檐口、搏風板、山花刷朱紅色磁漆，墻體刷灰白色仿石漆，墻裙勒腳貼青灰色文化石。

　　4結構設計

　　按照SL266—2001水電站廠房設計規范，筆者確定該工程水工建筑物級別為3級，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.1g，按GB5009—2012建筑結構荷載規范確定標準荷載。其中風荷載標準值取w0=0.5kPa，是根據封閉式雙屋面、屋面高度、風荷載體型系數計算確定。筆者現場檢查這3座水電站廠房，廠房經多年運行墻體局部有裂縫，屋頂有幾處滲水的現象，但結構未見有貫穿性裂縫，主體結構尚好。筆者按仿古改造后荷載工況進行了廠房結構抗震驗算，驗算滿足抗震要求，表明廠房結構是安全的，針對于墻體局部裂縫，可采用鋼板網水泥砂漿抹面進行修補。廠房仿古改造結構設計分為鋼筋混凝土結構和屋面鋼結構兩部分。4.1鋼筋混凝土結構設計拆除原廠房屋檐、女兒墻，沿廠房外墻頂設計一道300mm×400mm鋼筋混凝土連系梁，該連系梁和原排架柱頂植筋連接，以承載仿古屋面鋼屋架荷載并提高廠房結構的整體性，并在鋼屋架支座位置設計預埋地腳螺栓及預埋支座鋼板。4.2屋面鋼結構設計設計屋面坡度為0.5∶1(與水平夾角26.6°)，出檐1.2m～1.5m，灰陶瓦屋面。其結構設計包括鋼屋架、C型鋼檁條、屋面結構三部分。1)鋼屋架:主屋架設計為雙坡水芬克式三角形鋼屋架，軸線間距4m～5m。單坡水次屋架為直角三角形鋼屋架，通過節點板與主屋架連接。屋架結構設計采用PKPM—STS軟件。屋架采用在原廠房頂現場焊接，設計鋼材用Q235，上下弦桿、腹桿構件采用雙角鋼夾填板組合焊接成T型截面。為便于鋼檁安裝，屋架上弦構件與填板焊接須用塞焊縫。節點設計是鋼屋架設計的重點，節點位置、構造根據屋架受力特點靈活確定。設計鋼屋架上弦節點位置和檁條位置間隔對應，比較符合鉸接桁架節點受力要求，減小鋼屋架上弦次生彎矩;歇山屋面的戧脊次屋架和橫向主屋架斜交且節點集中荷載比較大，設計節點布置要均勻，避免受力過于集中;廡殿屋脊交點處有五個方向的屋架交匯，設計采用焊接鋼筒節點———首先按桿件焊接構造要求確定鋼筒的高度和直徑，再根據節點荷載計算鋼筒壁厚。設計鋼屋架通過預埋地腳螺栓與鋼筋混凝土結構鉸接固定。2)屋架支撐:為保證鋼屋架受力穩定以及屋蓋整體剛度，按鋼結構單層廠房設計規范要求，廠房兩側鋼屋架間上弦設交叉支撐四道、所有鋼屋架間跨中設垂直支撐一道;設前后檐口、下弦中間共三道通長剛性角鋼系桿。鋼屋架和支撐、系桿間設計采用螺栓連接，便于安裝調整。3)屋面結構:包括C型鋼檁條、壓花鋼板屋面、鋼板網、水泥砂漿粘背瓦屋面共四部分。仿古屋面荷載較大，自重荷載達1.5kPa。屋面設計依據屋面壓花鋼板經濟跨度確定鋼檁條間距700mm，鋼檁條設計為C200×60×20×2.5，通過檁托與鋼屋架螺栓連接。屋面板設計選用3mm厚扁豆形花紋鋼板(紋高2.5mm)，截面抗彎模量大、抗滑性能好。鋼板長邊順屋面坡水方向鋪設，鋼板縱向拼縫下設L40×4角鋼加勁肋，鋼板橫向拼縫位置設計在鋼檁條上。屋面板采用平縫焊接，為防止焊縫漏水，焊縫刷防銹漆兩遍，再刷聚氨酯防水涂料兩遍。鋼板與檁條、加勁肋用斷續焊連接，焊腳長60mm，間距200mm。瓦屋面設計為2號灰陶板、筒瓦，M7.5水泥砂漿粘背，為防止瓦屋面粘背砂漿空鼓、開裂，設計在瓦屋面和壓花鋼板屋面間鋪設1.5mm×15mm×40mm鋼板網一層，用點焊在鋼板屋面上長30mm的Φ10鋼筋固定，鋼筋固定點縱橫間距500mm。

　　5結語

　　石門水電站廠房改造工程竣工后，工程決算造價820元/m2，造價指標均低于鋼筋混凝土仿古建筑;建筑外觀效果符合石門風景區“兩漢三國”的古建風格，建筑形態錯落有致與周圍風景融為一體，受到了游客和業內人士的一致好評。

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